Особливості впливу модифікування на структуру та властивості ливарних алюмінієвих сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особливості впливу модифікування на структуру та властивості ливарних алюмінієвих сплавів

Постановка проблеми

Підвищення якості і властивостей виробів відповідального призначення не може бути вирішено без розробки нових і вдосконалених існуючих технологічних процесів виробництва сплавів на основі алюмінію. До відливок з алюмінієвих сплавів, що входять до складу турбонасосних агрегатів, насосів палива пред'являють вимоги, що поєднують герметичність, низьку пористість, високий комплекс механічних властивостей [1-3]. При отриманні ливарних алюмінієвих сплавів важливим етапом є процес плавки і обробки розплавів. Саме на цих стадіях ефективно використовуються операції модифікування та рафінування розплавів [2, 5, 6].

Однак відсутність адаптації виливків до механічної обробки стримує широке застосування алюмінієвих сплавів як конструкційних матеріалів. Низька технологічність пояснюється наявністю в сплавах крихких і важкорозчинних фаз: БеЛ1₃, М^Бі, М^щ, що виникають у вигляді великих кластерів і формують безперервну сітку [1]. Ці крихкі фази є причиною утворення тріщин при литті злитків і фасонних виливків. Крім того, вони сприяють уповільненню дифузійних процесів розчинення інтерметалідів при гомогенізації виливків [3]. Великим недоліком є висока газонасиченість ливарних сплавів.

Розвиток сучасних технологій вимагає створення нових матеріалів і удосконалення існуючих сплавів. Одним з ефективних способів підвищення якості виливків, подрібнення зерна і отримання однорідної структури є модифікування [5].

Промислові підприємства застосовують модифікування ливарних алюмінієвих сплавів солями натрію, що сприяє диференціації евтектики A1-Si. Однак легкоплавкі солі натрію не екологічні і не застосовні для обробки великих мас розплавів.

Перспективним напрямком при модифікуванні є використання дисперсних тугоплавких модифікаторів: карбідів, нітридів, боридів, чистих металів з розміром частинок 0,1 ... 1 мкм [9-11]. При модифікуванні ливарних алюмінієвих сплавів дисперсними частками карбіду кремнію розміром до 1 мкм відзначено підвищення технологічних і механічних властивостей сплавів і корозійної стійкості [3, 7].

Теоретичні основи модифікування викладені в основоположних роботах М.В. Мальцева [2]. В даний час існує декілька теорій модифікування, вони пояснюють певні сторони процесу модифікування алюмінієвих сплавів, але не характеризують його повністю. Це обумовлено складністю процесу і його залежністю від умов плавки і лиття, а також впливом неконтрольованих домішок і взаємодією компонентів які вводяться і які можуть як посилювати, так і послаблювати дію модифікаторів.

Всі речовини, що мають меншу електронегативність і менший ефективний іонізаційний потенціал (Уме), ніж металева основа сплаву, матимуть модифікуючий вплив на процес кристалізації [7, 9, 11].

Матеріали, що мають більше значення Uме - металевої основи сплаву, матимуть негативний вплив. Це відбувається тому, що чим нижче значення іонізаційного потенціалу, тим легше елемент віддає свої валентні електрони матриці і навпаки. Фактор, який характеризує здатність речовини впливати на процес кристалізації, слід розглядати як фактор розчинності домішок в матриці. Модифікатор повинен розташовуватися на межі кристалів і кластерів, але не входити до складу матричного сплаву.

Модифікатор не повинен утворювати свої власні кластери. Елемент, що має властивості модифікатора, повинен мати низьку розчинність в твердому стані і обмежену в рідкому. На основі коефіцієнтів зміни активності різних елементів найбільш потужними модифікаторами алюмінію і його сплавів є: Ge, La, Sr, Ті, Sc і їх з'єднання. Вивчено вплив перехідних металів: Ш, Ta, Ті, V, МЬ, Хх на властивості алюмінієвих сплавів [4]. Встановлено що елемент є ефективним модифікатором, якщо на діаграмі стану він має найбільше значення інтервалу кристалізації.

В даний час опубліковано достатню кількість якісних робіт, присвячених модифікації дисперсними частками тугоплавких сполук. У дисперсних системах відображаються особливості стану поверхні, оскільки частка поверхневих атомів в дисперсних частинках є переважаючою. У зв'язку з викладеним, тематика представленої роботи є актуальною для отримання якісних виливків в машинобудуванні.

Результати дослідження та їх обговорення

З метою підвищення якості виливків з алюмінієвих сплавів системи АІ-Бі в даній роботі проведені дослідно-промислові плавки сплавів АЛ4 (АК9ч), АЛ4С, АЛ4Д. Хімічний склад досліджуваних алюмінієвих сплавів наведено в таблиці 1.

Як показано в роботах [10-12, 13], найбільш ефективним модифікатором алюмінієвих сплавів є порошкові тугоплавкі композиції на основі карбіду БіС розміром менше 1 мкм.

Таблиця 1 Хімічний склад ливарних алюмінієвих сплавів

У промислових умовах були випробувані порошки титану, нітриду, титану, карбіду кремнію для модифікування сплавів АЛ4 (АК9ч), АЛ4С, АЛ4Д. З метою підвищення якості та технологічності багатокомпонентних сплавів системи АІ-Бі, поліпшення механічних властивостей проведено модифікування розплавів тонкодисперсними порошками карбіду кремнію модифікації в-БіС розмірами до 100 нм.

Досліджувані сплави є багатокомпонентними, що призводить до можливості зміцнення твердого розчину алюмінію розчиненими легуючими елементами, а також виділенню з пересиченого твердого розчину інтерметалідних фаз, що створює ефект зміцнення при подальшому старінні. Одержуваний модифікатор є тугоплавкий карбід кремнію, який не розчиняється в розплаві, а служить додатковим центром кристалізації. Оптимальну кількість введеного модифікатора визначено експерементально на лабораторних плавках і коливається від 0,07 до 0,1% від маси розплаву.

У таблиці 2 наведені дані впливу якості модифікатора на розмір зерна і пористість виливків.

Таблиця 2Вплив дисперсних добавок модифікатора SiC на зеренну структуру сплаву АЛ4